エレファンテック 技術ブログ

フレキシブル基板(FPC)製造開発ベンチャー企業 エレファンテック(旧:AgIC)株式会社の技術ブログです。

【フレキシブル基板にチャレンジ!】電子工作・電卓編 第2回 後編

こんにちは、平野です。

今回は電子工作・電卓編その2の後編です。(前編はこちら
前回に引き続き、どんどん基板の設計を進めていきたいと思います。

さて、後編では、前編で配線まで終わらせたプリント基板の設計の手直しから基板のチェック、発注の際のデータの出力について扱っていきます。
それではさっそく本編とまいりましょう!

目次

プリント基板の設計(前回の続き)

前回の記事では、プリント基板の設計を配線まで終わらせました。今回はその手直しからしていきたいと思います。

3. 設計の手直し

フレキシブル基板に馴染みのない方は、この項目を見て「手直しってなんだ?」と思われたかもしれません。しかし実は、フレキシブル基板はただ配線をしただけでは設計が不十分なのです。そしてこの作業こそ、フレキシブル基板の設計をする上で最も私がリジッド基板との違いに苦しんだ部分なのです。

  • 何を調整するのか?

フレキシブル基板はその特性上曲がった状態で使われることが多いため、特殊な耐久性上の問題が発生します。
今回はそこの解説がメインではないため結果だけ書きますが、大雑把には以下のような対策をとらなければなりません。

  • コーナーを曲線で設計

  • 角を丸める(ティアドロップ、Filletなどと呼称する形状)

       

(注:ここに記した注意点はあくまで一部です。詳細は、フレキシブル基板 P-Flex™️ 設計のコツ「パターン設計編」 - エレファンテック 技術ブログに丁寧な解説が載っています!)

  • どのように調整するのか?

実際に調整をする方法は、CADソフトによって千差万別です。あらかじめティアドロップの作成機能が実装されているものもありますし、されていないものもあります。
実装されていたならば、ありがたくそれを使わせてもらいましょう。

されていない場合の解決方法には、大まかに分けて二つあります。

  1. どこかの親切な方が作成したプラグインを用いる方法
  2. 温かみのある手作業で一つ一つ丁寧にクリアする方法

ちなみに、この作業ははっきり言って手作業でやるとかなり面倒な作業です。皆さんがフレキシブル基板を設計する際は、できる限りあらかじめティアドロップ作成機能が実装されているCADを用いることをお勧めします。

  • さあ実際にやってみよう 〜なるべく楽がしたい〜

ここからは、僕の使用しているKicad 4.0.6で実際に作業をしてみた記録になります。

さて、早速ですが、kicadにはティアドロップが実装されているのかといいますと、残念ながら実装されていません…
仕方がないので、次にプラグインが公開されていることを信じて検索してみると、

どうやら公開されているようです!

kicadの場合、ティアドロップを作成するスクリプトはGitHub - svofski/kicad-teardropsに公開されていました。
開発してくださった方に感謝しつつ、早速使ってみましょう!

……ティアドロップが0個作成されました……

困った私はスクリプトのコードものぞいてみましたが、正直に白状すると私はkicadについて全く詳しくないため、何が原因で動かないのかさっぱりわかりません。お手上げです…
というわけで、ここからは温かみのある手作業によって基板の調整をおこなう方法を紹介していきたいと思います。

  • さあ実際にやってみよう ~やっぱり最後は力技で解決!!~

ここからは楽をする道を捨て、力技で解決する方法について解説していきます。
今回、ティアドロップを自動で作成してくれる機能を使用することができないため、下図の例のような滑らかな曲線を用いて角をとることは少し難しいです。

   

そのため、今回は下図のように、四角形の頂点から配線を出すというテクニックを用いて設計の手直しをしていきます。(詳細はフレキシブル基板 P-Flex™️ 設計のコツ「パターン設計編」 - エレファンテック 技術ブログをご覧ください)

この方法を用いて手直しをした結果が以下の写真です。

f:id:elephantech_shared:20171208150336p:plain f:id:elephantech_shared:20171208150351p:plain

ちなみに今回、コネクタ部分などのパッドが密集している部分で配線を矩形の頂点から出すために、コネクタのフットプリントに以下のような変更を加えました。

Before▽
f:id:elephantech_shared:20171208150509p:plain

After▽
f:id:elephantech_shared:20171208150526p:plain

ちなみに、上記の方法は、僕が行き当たりばったりで思いついた方法をとりあえずやってみたに過ぎません。僕がkicadについてよく知らないだけで、もっと手軽で楽な方法があるかもしれないというわけなのです…。

というわけで、もし今後そのような方法を発見することがあればまたその時に記事を更新するということにして、今回はこの方法を紹介するにとどめたいと思います。

最終チェック

最後に、設計した基板が製造仕様を満たしているかどうかの確認をしたいと思います。

Kicadには、DRC(デザインルールチェック)機能が実装されており、製造仕様をきちんと満たしているかどうかの確認を簡単に行うことができます。

まずは、デザインルールの設定を行うために、エレファンテックさんのフレキシブル基板の製造仕様を設計・製造データ例 ダウンロードのページで確認します。
とりあえず、今回確認したいポイントはパターン間隔なので、エレファンテックさんの仕様に合わせてクリアランス(パターンの間隔の最小値)を0.2mmに設定します。

(ネットクラス等の解説は記事の趣旨から逸脱してしまいますので省きますが、いろいろと便利な機能です。)

クリアランスの設定を行ったら、DRC(デザインルールチェック)を実行します。
そうすると、下のようにDRCが実行され、設計した基板にパターン間隔に関する問題はないということがわかります。

ところで今回の基板では、[未結線情報の一覧]をクリックすると下のように未結線情報が表示されてしまいます。しかしこれは、片面配線しきれずジャンパー線を用いて処理を行う部分がエラーとして出ているだけのものですので、今回はこれで問題ありません。
とはいえ、意図しない未配線がある可能性もありますので、出たエラーは念のため一つ一つ確認することをおすすめします。

最後に、配線間隔についてエラーが出る場合どのような表示になるのかも一応お見せしておきましょう。
試しにクリアランスを0.3mmにしてDRCを実行すると…

エラーがたくさん発生し、マーカーが大量発生しました。わかりやすいですね!

以上、DRCの機能を紹介させていただきました。いかがでしたでしょうか?
DRCを用いることで、パターン間隔について簡単にチェックできることをおわかりいただけたかと思います。
しかし、DRCで確認できない事項もいくつか存在します。
例えば、外形とパターンの間隔に関するチェックはDRCではできません(もしかすると僕が知らないだけでできるのかもしれませんが…)。
最後にそれらの細かい事項を自分で確認し、基板は完成です!

完成

ついに基板データの完成です!とりあえずpdf形式にしてみました。
左のちっこいのがマイコン等を載せたメイン基板、右の大きいのがメンブレン式のスイッチ基板です。ここまで長かったですね…

発注用データ出力

基板データが完成してこの記事もおしまいかと思いきや、まだまだ記事は続きます。
最後に、kicadで発注用のデータを出力していきます。

まず、エレファンテックさんが受け付けているファイルの入稿形式について、エレファンテック技術ブログ - フレキシブル基板(FPC) P-Flex™の入稿ファイル形式【初心者向け】を参照してしっかり確認を行います。

今回は片面フレキシブル基板なので、必要なのは表面の銅箔、シルク、レジストマスクのレイヤ、そして基板の外形線のレイヤになるので、そのようにチェックを入れます。
(ちなみに、「ガーバーオプション」の部分に「拡張属性を含む」というチェックボックスがありますが、結論から申し上げると、このチェックボックスにはチェックは不要だそうです。エレファンテックさんのサイトに「RS-274X(拡張ガーバーフォーマット)」と記載があり混乱したのですが、kicadにある拡張属性はまた別のものなのだとか。ややこしいですね…。ただ、誤ってチェックボックスにチェックを入れてしまった場合でも、印刷はきちんとできるそうです。さすがです)

正しくチェックを入れたら、出力先を指定し、[製造ファイル出力]をクリックします。

これで、製造ファイルを正しく出力することができました。

出力したファイルは、kicadの場合ガーバービューアで確認することができます。発注する前にこれで確認しておくとよいかもしれませんね。(下は表面マスクデータを表示した例)

まとめ

さて、今回は記念すべき初フレキシブル基板設計の回でした! とりあえず、初めてのフレキシブル基板設計で苦労したところをまとめてみたいと思います。

  • 部品探し:普段使わないものなので、表面実装用のコネクタを探してくることに少し手間取りましたね。とりあえずよくわからないときは既存の真似をするという作戦で乗り切りました。…乗り切れているんですかね……?

  • 片面配線:リジッドで両面使えることのありがたさを思い知りました。やはり片面だとマイコン周辺の配線等がかなりツライです。といっても、ジャンパー線を使えば簡単に解決ができるので、ある程度単純なものであれば問題なく設計可能であることもわかりました。

  • ティアドロップ・曲げ配線:正直これが一番とっつきにくい問題に感じました。記事ではさらっと「解決方法は~」なーんて書いてありますけれども、正直最初は本当にどうしたらいいかわかりませんでした。しかも今回用いた方法はあくまでベストではなく単なるベターなのです…。これをお読みの皆さんにはぜひティアドロップ作成機能付きのCADを使っていただきたいと思います!

苦労した点はこんなところでしょうか?始める前は多少身構えてしまいましたが、終わってみると意外とすんなり設計できてしまったようにも感じられますね。
といっても、今回はあくまで基板の設計をしただけ。これを実際に使って動作を確認するのはまだ先のお話というわけです。もしかするといざ動かしてみれば問題が発生するかもしれません。というか、こういう物はたいてい一発ではうまくいかないと相場が決まっております。

というわけで、今回の基板設計編の記事はここまでとなりますが、今後は今回設計した基板を実際に使用し、発覚した問題点等々を記事にしていく予定です。

それでは今回はここまでになります。ここまでお付き合いいただきありがとうございました。
次回は本文中でちらっと触れたメンブレンシートについての解説記事となります。お楽しみに!

参考文献

   

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プリント基板の構造と製造工程 〜 実は似ているリジッド基板とフレキシブル基板

外見はリジッド基板と全く違うフレキシブル基板(FPC基板)ですが、実は構造はそれほど違いません。

一般的なプリント基板(リジッド基板)、一般的なフレキシブル基板 、それからエレファンテックのフレキシブル基板 P-Flex™️ の構造と製造工程を比較することで、リジッド基板とフレキシブル基板の共通点を見ていきましょう。

なお、P-Flex™️の製造工程について読みたい方は
フレキシブル基板 ピュアアディティブ™法 製造工程 をご覧ください。

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【フレキシブル基板にチャレンジ!】電子工作・電卓編 第2回 前編

こんにちは。平野です。

電子工作・電卓編 第2回目の記事です。今回から、基板部分の設計について前後編に分けて書いていく予定です。
前編では部品の選定から回路設計、プリント基板の配線までを扱います。

目次

はじめに

まずはじめに、どのような基板を作っていくのかを大まかに説明したいと思います。
今回作っていくのは電卓です。そのため、必要な機能は主に以下の二つです。

  • 液晶に文字を表示する
  • キー入力を受け付ける

これらの機能を実現するため、今回は制御用のマイコンや液晶を積んだメイン基板、スイッチ用のサブ基板(の二つ)を製作していきたいと思います。
ちなみに今回、スイッチ部分を丸められるように、メンブレンスイッチというものを採用しました。
メンブレンスイッチについては別記事で解説させていただきますので、とりあえず今は薄くてペラペラなスイッチのことであると述べるにとどめておきます。

製作するものについてふわっと理解していただいたところで、次に進みたいと思います。

部品の選定

回路や基板の設計を始める前に、まず主要な部品の選定を行います。
今回は片面フレキシブル基板の設計なので、スルーホール実装用の部品を使うことができません。そのことに気を付けて部品を選定しましょう。

1. 普段と変わらない部品

まずは、普段リジッド基板を用いている時と変わらない部品から選んでいきます。
部品選びは、秋葉原で簡単に購入できるようにと考えて行いました。

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2. 馴染みのない部品

さて、今回フレキシブル基板を設計するにあたり、普段と違う部品を使う必要があります。それは、コネクタです。

普段私がリジッド基板を使った作品を作るとき、コネクタは取り外しの際にかかる負荷のことを考えてスルーホール実装用のものを用いています。
しかし、今回はフレキシブル基板の設計なので、私が普段お世話になっているスルーホール実装用のコネクタが使えません。フレキシブル基板用のコネクタを探してくる必要があります…。

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△左がスルーホール実装用コネクタ、右が今回使うような表面実装用

恥ずかしながら私はフレキシブル基板用の部品については全くのド素人です。
ここは前例を参考にして、エレファンテックさんの無料サンプル基板に用いられていた、ヒロセ電機さんの FH12シリーズ・1mmピッチコネクタを用いることにしました。

(引用:FH12 series - ヒロセ電機グループ

回路設計

今回製作するものは、フレキシブル基板を使うということ以外はごく一般的な電卓と同じものなので、使用する回路はスイッチ、LCD、LEDなどをマイコンに接続しただけの単純な回路です。
早速回路設計に取りかかっていきましょう。

1. 使用ソフト

今回、回路図及び基板の設計は、KicadというオープンソースのPCB CADを用いて行うことにしました。Kicadはフリーのソフトではありますが、機能は充実している上、日本語のリファレンスがあるため初心者にも扱いやすいPCB CADです。

(余談ですが、Kicadの開発のバックにはCERN(欧州原子力機構)がいるそうです。これだけ高機能なCADがフリーで使えるのは、学生の身としては本当にありがたい話です。)

2. 回路図

回路の設計はフレキシブル基板だろうとリジッド基板だろうと特に変わることはありません。いつも通りに設計していきます。

スイッチ部分にメンブレンシートを用いているため、そこの回路図の見た目がやや美しくないですが、気にせず次の作業に進みます。

プリント基板の設計

1. フットプリントの割り当て

部品にそれぞれフットプリントを割り当て、基板の設計に入っていきます。
フレキシブル基板用のコネクタのフットプリントなどもライブラリには用意されていないことが多いため、自分でフットプリントを作る必要があります。

f:id:elephantech_shared:20171208150109p:plain △フットプリントも自作します

2. いざ配線

フットプリントの割り当てが終わったら配線作業に移りましょう。それっぽく部品を配置して配線を行います。片面フレキシブル基板ですので、片面のみで配線を完結させなければいけません。

・片面配線の闇
しかし、ここでやはり問題が発生しました。 マイコン周りの配線がどうしても片面配線だけでは上手くできなかったのです。二か所ほど配線が不可能な部分が存在することが判明しました。

△悲しい

オートルーターと呼ばれる自動配線機能の助けを借りるも、パソコンが熱を持つだけで一向に解決しません。

f:id:elephantech_shared:20171208150141p:plain△無限にCPUを回すAutoRouter

さて、この問題はどう解決すればよいのでしょうか?

 ・ジャンパー線で解決
頑張って部品の配置をいじるなどして解決しようとしたのですが、非常に手間がかかりそうな作業だったため、エレファンテックの社員さんに泣きついてみました。すると、

「ジャンパー線使えばいいんだよ」

とのお言葉をいただきました。確かにそうですね…。
普段リジッド基板しか使わないせいか(言い訳)、ジャンパー線を使うという選択肢が頭からすっぽり抜け落ちておりました。

というわけで、ジャンパー線をつけるパッドを適当に配置します。(下図真ん中、3V3の円形パッドです。とりあえず直径2mmにしてみました)

なにしろ初めてのことなので、これで本当にうまくはんだ付けできるのかはわかりませんが、とりあえず今回はこれでやってみることにします。

続きは次回

第2回の前編はここまでとなります。
前編では、部品の選定から回路設計、プリント基板の配線を行いました。 フレキシブル基板の設計について、リジッド基板と共通な点、異なる点それぞれについて少しずつ見えてきましたね。
しかし基板の設計はこれからが本番。後編ではプリント基板の設計の手直しから基板のチェック、発注の際のデータの出力について扱っていく予定です。


更新は近日中に行う予定ですので、次回も引き続きよろしくお願いします!

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フレキシブル基板(FPC) P-Flex™の電流値と発熱の関係について

これまでに普通のプリント基板(リジッド基板)やフレキシブル基板(FPC)を設計したことがある方から、エレファンテックのフレキシブル基板(FPC)における許容電流値に関する質問をよくいただきます。

エレファンテックが製造するフレキシブル基板であるP-Flex™はピュアアディティブ™法で作られており、サブトラクティブ法によって作られる基板に比べ製法上銅膜厚を厚くすることが得意ではありません。そのため現在(2017年12月)では標準の銅膜厚は3μmとなっており、リジッド基板の一般的な銅膜厚の18μmや35μm、FPCの一般的な銅膜厚である12μmや18μmと比べて薄いため、許容電流値はそれらと比べると低いです。

本記事ではエレファンテックのFPCであるP-Flex™に電流を流した際の発熱から許容電流値の参考データを提供いたします。

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【フレキシブル基板にチャレンジ!】電子工作・電卓編 第1回

目次

挨拶と自己紹介

こんにちは。
この度、エレファンテックの技術を活かした電子工作の紹介記事を書こうという企画がスタートしました。
今回はシリーズ初回である、電卓の製作についての導入の記事です。

執筆は平野と高橋が行っています。

  • 平野
    平野
    東京工業大学・学士一年 電子工作系サークル「ロボット技術研究会(通称ロ技研)」所属
    サークルではマイクロマウス製作を行っている。 寝ても覚めてもマイクロマウス。
    ロ技研を通してこのブログ執筆に巡り合った。

  • 高橋
    高橋
    東京工業大学・学士一年 同サークル所属
    個人製作として左右分離型キーボードを製作中。コントローラ等のデバイス製作が好き。趣味はPCショップでゲーミングキーボードを叩くこと。
    同じく、ロ技研を通じてこのブログ執筆に巡り合った。

記事のコンセプト

この企画のコンセプトは、「フレキシブル基板に触れたことの無い人が、フレキシブル基板を使いたくなるような記事」というものです。
その上でブログの内容を決める際、我々がロ技研所属で電子工作の経験もあるという点を踏まえて、技術のプレゼンの方法をエレファンテックの方々と協議しました。

その結果、実際にフレキシブル基板を用いた作品を作って紹介することでフレキシブル基板を身近に感じてもらおうということに決まりました。
学生ライターという立場を活かして、学生らしくフレッシュな視点で率直な記事を書いていこうと思います。

と言っても、我々二人も電子工作の経験こそあれどフレキシブル基板を使った工作は経験が無く、作品製作の上で躓くことは多々あるでしょう。或いは製作の過程でフレキシブル基板のデメリットが浮き彫りになるかもしれません。
しかし、今回の企画ではそういったデメリットや失敗なども隠すことなく、積極的に発信していくという方針です。

読者の方々がこの記事を見てフレキシブル基板の様々な特徴を知ることができれば幸いです。

今回の作品テーマ

タイトルにある通り、初めての製作物には電卓を選びました。

この電卓の特筆すべき点は、ボタン部分に「メンブレンスイッチ」を採用することでキーパッドをペラペラにし、クルクルと巻いて小さくできる事です。
メンブレンスイッチについては別の記事を立てて解説します。

また、フレキシブル基板を使った初めての電子工作ということで、メンブレンスイッチ部だけでなく基板全てにフレキシブル基板を使用する予定です。

△完成予想図 △キーパッド部を丸めた姿

今後の進行

高橋は基板CADに触ったことが無いので、今回は基板設計を平野、プログラミングを高橋が担当します。
その2では基板の設計についてまとめた記事を公開します。
それ以降ではメンブレンスイッチについてやプログラム部などを数回に分けて執筆。全5~6回程度の構成で進行していく予定です。
次回以降もよろしくお願いします。

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2017年12月11日、フレキシブル基板(FPC)基材厚50 µmを正式リリースしました。
今後は、ご注文の基板およびサンプル基板は、基材厚50 µmとなります。
(基材厚125 µmをご希望の方はオプションで承ります。コメント欄にてその旨ご連絡ください。)


 

www.elephantech.co.jp



フレキシブル基板(FPC)において基材厚50 µm厚 β版のリリースについてのお知らせをいたします

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